Sygnał ze statku kosmicznego Orion odbierany przez polską stację SP5LOT.

Autorem artykułu jest Pan Tomasz Błażej (SP5LOT) – serdecznie pozdrawiamy!

Kiedy w kwietniu 2026 roku czworo astronautów misji Artemis II zmierzało ku Księżycowi, sygnały ich statku kosmicznego Orion odbierały wielkie anteny NASA i niezależne stacje z różnych części świata. Wśród nich była moja stacja SP5LOT w Warszawie, wyposażona w czaszę o średnicy 1,2 metra. Opracowane na podstawie tych obserwacji pomiary trafiły na serwer NASA, a mój znak krótkofalarski znalazł się na certyfikacie agencji.

Na pokładzie statku kosmicznego Orion byli Reid Wiseman, Victor Glover i Christina Koch z NASA oraz Jeremy Hansen z Kanadyjskiej Agencji Kosmicznej. Ich wyprawa była pierwszym od czasów programu Apollo załogowym lotem w okolice Księżyca. Przez kolejne dni podróż załogi można było śledzić także za pomocą odbiorników radiowych, rejestrując sygnał pokładowego nadajnika.

NASA zaprosiła niezależne stacje do eksperymentu, który miał pokazać, jak radzą sobie z takimi obserwacjami i czy mogłyby w przyszłości uzupełniać pomiary prowadzone przez agencje kosmiczne. Dla kogoś, kto wcześniej odbierał sygnały sond kosmicznych, była to okazja, by wykorzystać zdobyte umiejętności we wspólnym przedsięwzięciu.

Zaproszenie do wspólnego eksperymentu

Początek tej współpracy sięga listopada 2025 roku. Na krótkofalarskiej liście dyskusyjnej pojawiła się wiadomość Franka Bauera, KA3HDO. Frank kieruje międzynarodowym programem ARISS, dzięki któremu uczniowie rozmawiają przez radio z astronautami na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej. Tym razem zapraszał do przedsięwzięcia związanego z lotem załogowym znacznie dalej od Ziemi.

Zgłoszenia zbierano w ramach AREx, inicjatywy rozwijającej amatorskie projekty radiowe poza orbitą okołoziemską. Potrzebne były stacje zdolne odbierać sygnał nadajnika statku kosmicznego Orion i mierzyć zmiany jego częstotliwości. Miałem już za sobą odbiory sond krążących wokół Księżyca oraz Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba. Jeszcze tego samego wieczoru wysłałem Frankowi opis anteny, odbiornika i dotychczasowych obserwacji.

Następnego dnia polska stacja znalazła się na liście kandydatów przekazanej NASA, a w styczniu przyszło potwierdzenie przyjęcia konsorcjum do eksperymentu. Po spotkaniu zespołu AREx 27 stycznia uczestniczyłem dzień później w sesji pytań i odpowiedzi z NASA. Omawialiśmy plan obserwacji i sposób przekazywania wyników. Prace konsorcjum oraz kontakt z agencją koordynował Daryl Young, K4RGK.

Nocne okna odbioru

Przed każdą sesją sprawdzałem w JPL Horizons, kiedy statek kosmiczny Orion znajdzie się nad horyzontem mojej stacji. Ten publiczny system efemeryd pozwala wyliczyć położenie obiektu dla konkretnego miejsca obserwacji. Zamiast szukać sygnału na ślepo, można było wcześniej ustawić antenę w odpowiednim kierunku i przygotować odbiornik.

Okna odbioru przypadały głównie nocą. Według prognozy 3 kwietnia o 02:30 czasu polskiego statek kosmiczny Orion miał znajdować się zaledwie około pięciu stopni nad horyzontem. Zestaw musiał być wtedy gotowy do zapisu, z anteną prowadzoną za celem. Wśród szumu na ekranie trzeba było rozpoznać ślad sygnału nadawanego z pokładu statku kosmicznego uczestniczącego w misji księżycowej.

Pomagało przewidywanie Dopplera, czyli zmiany częstotliwości wywołanej ruchem nadajnika względem odbiorcy. Znamy ten efekt ze zmiany tonu syreny mijającego nas pojazdu. W odbiorze radiowym zamiast słyszeć zmianę tonu, można zobaczyć przesuwający się na ekranie ślad. Kiedy jego przebieg zgadzał się z obliczeniami dla statku kosmicznego Orion, satysfakcja była szczególna: własna stacja rejestrowała sygnał prawdziwej misji księżycowej.

Do odbioru wykorzystywałem czaszę 1,2 m z niewielką anteną odbiorczą w ognisku, wzmacniacz niskoszumny i odbiornik połączony z komputerem. Antena podążała za zmieniającym się położeniem statku kosmicznego, a stabilne odniesienie częstotliwości i dokładny czas pozwalały później wykonać pomiary.

Sygnał zapisywał Deep Space Recorder, który napisałem na potrzeby takich obserwacji. Na ekranie pokazywał widmo, historię jego zmian oraz przewidywany przebieg Dopplera. Po zakończeniu nocnej sesji nagranie pozostawało do dalszej analizy. Dopiero z niego powstawały dane przeznaczone dla NASA.

Od nagrania do standardu agencji kosmicznych

W eksperymencie NASA liczył się przebieg Dopplera, który pozwala badać ruch statku kosmicznego względem stacji na Ziemi. Nadajnik statku kosmicznego Orion pracował w paśmie S, w pobliżu 2,2 GHz, a przy analizie istotne były zmiany częstotliwości liczone w pojedynczych hercach. Trzeba było wydobyć je z nagrania i przypisać każdemu pomiarowi dokładny czas.

Wyniki miały mieć postać CCSDS TDM, czyli Tracking Data Message. To specjalistyczny, międzynarodowy standard wymiany danych śledzenia statków kosmicznych, stosowany przez NASA i inne agencje kosmiczne. Taki plik zawiera pomiary wraz z jednoznacznym opisem ich pochodzenia, czasu i jednostek. Dzięki temu dane z różnych stacji mogą trafić do wspólnych narzędzi służących analizie lotu.

Dokumentacja NASA określała wymagania, ale nie zawierała gotowego programu do przetworzenia nagrań z nasłuchów. Nie znalazłem konwertera, który obsłużyłby ten zapis i przygotował wyniki zgodnie ze specyfikacją kampanii. Opracowanie własnego okazało się jednym z najbardziej wymagających etapów przygotowań. Analiza słabego sygnału, zachowanie dokładnego czasu i poprawny zapis danych musiały działać razem.

Tak powstał iq_to_tdm. Program zamienia zapis radiowy w serię pomiarów częstotliwości i przygotowuje plik wymagany przez NASA. Jeszcze przed lotem wysłałem próbkę z obserwacji koreańskiej sondy księżycowej KPLO do sprawdzenia przez Flight Dynamics Facility, zespół NASA zajmujący się analizą ruchu statków kosmicznych. Po przeglądzie pliku i uzgodnieniu jego zawartości ten sam sposób opracowania danych był gotowy na Artemis II.

Podczas misji własne pliki TDM przesyłałem do NASA SCaN Program Operations Cloud, w skrócie SPOC, środowiska działającego na platformie Amazon Web Services. Konsorcjum AREx miało tam przydzieloną przestrzeń na wyniki obserwacji. Nagranie wykonane domową stacją przechodziło w ten sposób całą drogę do specjalistycznego pliku, który mogły analizować zespoły NASA.

Pomogłem też Matthiasowi Boppowi, DD1US, niemieckiemu krótkofalowcowi zajmującemu się odbiorem sygnałów z kosmosu. Jego obserwacje opracowałem za pomocą iq_to_tdm. Matthias przesłał dane rano, a jeszcze tego samego dnia otrzymał gotowe pliki i przekazał je NASA. Własne oprogramowanie przydało się więc również drugiej stacji zespołu.

We wrześniu NASA przekazała ocenę przesłanych danych, porównanych z obliczeniami agencji. Dla niezależnego obserwatora była to cenna możliwość sprawdzenia pomiarów w odniesieniu do wyników zespołu prowadzącego misję.

Udział w kampanii potwierdził certyfikat programu NASA Space Communications and Navigation, czyli SCaN. Obok nazwy konsorcjum AREx widnieją na nim znaki DD1US i SP5LOT. Byliśmy dwiema stacjami konsorcjum, które ostatecznie dostarczyły NASA dane z misji. Znalezienie się w tym gronie obok Matthiasa było dla mnie szczególnym wyróżnieniem.

Na wykresie widać także pracę łącza radiowego

Dwie linie na wykresie z 4 kwietnia przez większość czasu biegną niemal jedna po drugiej. Niebieska powstała z pomiarów wykonanych w Warszawie, pomarańczowa z przewidywania JPL Horizons. Przed porównaniem usunąłem stałe przesunięcie częstotliwości. Zgodność kształtu obu krzywych pokazuje, że udało się odtworzyć przewidywane zmiany sygnału związane z ruchem statku kosmicznego względem mojej stacji.

Jeszcze ciekawszy szczegół przyniosła noc z 8 na 9 kwietnia. O 01:24:41 UTC sygnał nagle przesunął się o około 304 Hz, tworząc na wykresie wyraźny stopień. Praktycznie taką samą zmianę w zbliżonym czasie zarejestrował 25-metrowy radioteleskop w Dwingeloo, prowadzony przez fundację CAMRAS w Holandii. Moja antena o średnicy 1,2 m w Warszawie i duży, 25 metrowy radioteleskop uchwyciły to samo zdarzenie.

Wyjaśnienia trzeba szukać również w sposobie pracy pokładowego transpondera, czyli urządzenia odbierającego i nadającego sygnał radiowy. W trybie niekoherentnym częstotliwość nadawania wyznacza własny wzorzec statku kosmicznego. W trybie koherentnym odniesienie dociera z Ziemi. Transponder odbiera sygnał stacji naziemnej i na jego podstawie wytwarza sygnał powrotny, zachowując ustalony stosunek ich częstotliwości. Pozwala to wykorzystać stabilność naziemnego wzorca podczas precyzyjnych pomiarów ruchu statku kosmicznego.

Przełączenie odniesienia może spowodować taki skok. Dlatego na wykresie można zobaczyć ślad działania systemu łączności, obok zmian wynikających z ruchu statku kosmicznego. W danych CAMRAS odcinek po skoku oznaczono jako pracę z udziałem DSS-56 w Madrycie, stacji należącej do sieci NASA Deep Space Network. Przejście do pracy koherentnej jest najbardziej prawdopodobnym wyjaśnieniem wspólnej obserwacji.

W wybranych wspólnych fragmentach danych z Warszawy i Dwingeloo można było porównać również drobniejsze zmiany sygnału. Miałem więc do dyspozycji drugie, niezależne nagranie tego samego nadajnika. Zgodność tych szczegółów w zapisach dwóch różnych stacji pokazała mi najdobitniej wartość własnych obserwacji.

Wiedza zdobywana przy własnym odbiorniku

Do udziału w projekcie przygotowały mnie wcześniejsze odbiory sond kosmicznych i doświadczenie krótkofalarskie. Budując stację, uczy się doboru anten, pracy ze słabymi sygnałami i sprawdzania własnych pomiarów. Podczas Artemis II ta wiedza pozwalała podejmować konkretne decyzje, od ustawienia anteny po opracowanie danych dla NASA.

Sam odbiór i analiza sygnałów w takim eksperymencie nie wymagają bycia krótkofalowcem. Można przyjść z doświadczeniem w programowaniu, elektronice, astronomii czy radioastronomii. Osoba, która zajmuje się analizą danych, może pracować na nagraniach także wtedy, gdy nie ma własnej anteny. Krótkofalarstwo daje jednak praktyczną wiedzę o radiu i kontakt z ludźmi, z którymi łatwiej uruchomić stację oraz zrozumieć to, co pojawia się na ekranie odbiornika.

Udostępniłem iq_to_tdm wraz z przykładami do zastosowań niekomercyjnych. Można prześledzić drogę od nagrania do pomiarów zapisanych w TDM, a następnie wykorzystać program do własnych obserwacji. Doświadczenie zdobyte przy Artemis II staje się w ten sposób dostępne także dla kolejnych uczestników podobnych przedsięwzięć.

Frank Bauer napisał, że w przyszłych działaniach księżycowych AREx i ARISS potrzebne będą stacje o różnych możliwościach, także niewielkie instalacje. To daje konkretny powód do dalszej rozbudowy. Planuję lepsze warunki antenowe i większą czaszę, a równolegle rozwijam oprogramowanie do odbioru i analizy słabszych sygnałów.

Przy kolejnym eksperymencie chciałbym, żeby kilka stacji prowadziło wspólnie zaplanowane sesje i porównywało wyniki. Doświadczenie potrzebne do takiej pracy można zdobywać już przy odbiorze znanej sondy kosmicznej. W moim przypadku właśnie od takich prób zaczęła się droga do pomiarów, które ostatecznie trafiły do NASA. Ostatecznie – kto nie chciał zostać astronautą w młodości, a w ten chociaż sposób można zbliżyć się do realizacji swoich marzeń.

Autor i opracowanie pomiarów: Tomasz Błażej SP5LOT. Oprogramowanie: github.com/SP5LOT/iq-to-tdm

https://www.facebook.com/share/p/1JF6gpEZzw/

https://www.facebook.com/share/p/18BeayCScM/

(SP5LOT)